Technische Biopolymere

Obwohl der Begriff „Biopolymer“ zurzeit in der Öffentlichkeit, der Politik, der Industrie und insbesondere in der Forschung und Entwicklung sowie auf zahlreichen Fachtagungen in zunehmendem Maße auftaucht und bisweilen auch schon etwas überstrapaziert wird, ist er nicht exakt definiert (Bild 1.1).

Zu Beginn der Industrialisierung wurden zunächst Polymerwerkstoffe wie z. B. Cellulosederivate oder auch Kautschuk nur auf Basis nachwachsender Rohstoffe erzeugt (vgl. I links in Bild 2.1), weil nur diese natürlichen Rohstoffe zum damaligen Zeitpunkt in entsprechender Menge verfügbar waren. Mit dem Siegeszug der Petrochemie wurden die nachwachsenden Rohstoffe als Polymerrohstoffe durch eine petrochemische Rohstoffbasis verdrängt (II.). Auf Basis dieser petrochemischen Rohstoffe wurden dann in den letzten Jahrzehnten auch erste biologisch abbaubare Polymerwerkstoffe für bestimmte Nischenanwendungen, wie z. B. Polyvinylalkohole oder Polycaprolacton, entwickelt (III.). Mit der zunehmenden Erkenntnis, dass sich hinter den vorteilhaften Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften der petrochemisch basierten Kunststoffe neben der Rohstoffabhängigkeit auch nachteilige Entsorgungseigenschaften verbergen, rückten die Entsorgungs- oder Verwertungsmöglichkeiten der Polymere mehr und mehr in den Vordergrund, sodass seit Ende der 80er Jahre gezielt eine zunehmende Anzahl von abbaubaren Biopolymeren überwiegend auf Basis nachwachsender Rohstoffe entwickelt wurden (IV.) [19], [38], [49]. Bei den Biopolymerwerkstoffen verlagert sich im Hinblick auf die zukünftig immer schlechter werdende Verfügbarkeit und auch sicher weiter ansteigenden Preise petrochemischer Rohstoffe derzeitig jedoch der Schwerpunkt, d. h. nicht mehr die Kompostierbarkeit, sondern der Einsatz erneuerbarer, d. h. langfristig verfügbarer – Ressourcen zur Werkstofferzeugung rückt (wieder) zunehmend in den Vordergrund (V.).

In der Vergangenheit konzentrierten sich im Hinblick auf Biopolymere die gesetzlichen Regelungen bevorzugt auf Verpackungen, weil es sich dort zwangsläufig um Produkte mit relativ kurzer Gebrauchsphase handelt. Zudem sind allein die Verpackungen für die Abfallmengen verantwortlich gemacht worden, wenn auch nur teilweise zu Recht. Dabei hat sich das allgemein negative Image vom Abfall in der Öffentlichkeit und Politik auf die Verpackungen übertragen.

Zum Verständnis der makroskopischen (Gebrauchs-)Eigenschaften ist die Kenntnis des mikrostrukturellen Polymeraufbaus wichtig. Im Folgenden wird daher zunächst die Herstellung ausführlich beschrieben, bevor darauf aufbauend die resultierende Mikrostruktur und die Eigenschaften der Biopolymere dargestellt werden.

Die aktuelle Nachfrage nach Biopolymerwerkstoffen ist aufgrund der auch am Anfang des Buches u. a. in Abschnitt 1.3 dargestellten veränderten Rahmenbedingungen sehr hoch. Aufgrund der stetig gestiegenen Nachfrage ist jedoch auf der anderen Seite das Fehlen bzw. der Bedarf an Materialdaten im Bereich der Biopolymere insbesondere aus Sicht der Anwender offensichtlich geworden.

Ein wesentlicher Vorteil von Biopolymeren stellen deren verschiedene Entsorgungsoptionen dar.

Der Begriff Ökobilanz ist nach DIN ISO14040 [85] wie folgt definiert:

„Die Ökobilanz ist die Zusammenstellung und Beurteilung der Input- und Outputflüsse (Stoffsowie Energieströme, die in den Prozess mit eingehen und die aus dem Prozess hervorgehen) und der potenziellen Umweltauswirkungen eines Produktsystems im Verlauf seines Lebensweges oder eines Abschnitts des Lebensweges.“

In den letzten zwei bis drei Jahren hat die Produktionskapazität aufgrund der sehr stark gestiegenen Nachfrage deutlich zugenommen (siehe hierzu auch Abschnitt 2.2).

Neben den altbekannten Cellulosederivaten und -regeneraten haben als neuartige Biopolymere vor einigen Jahren als erstes die Stärkeblends und in den letzten fünf Jahren auch insbesondere die Polylactide und wenige abbaubare Polyester einen industriellen Produktionsmaßstab erreicht (Vgl. Bild 2.1). Einige wenige Polyhydroxyalkanoate (PHAs) sind derzeit auch schon kommerziell erhältlich. Ihr Preis liegt jedoch u. a. aufgrund der geringeren Produktionsmengen noch um den Faktor 2 – 5 über dem der in großindustriellem Maßstab erzeugten Biopolymere.

Der intensivere Einstieg in das Thema der Biopolymerwerkstoffe bzw. deren verstärkter Einsatz erscheint zum jetzigen Zeitpunkt aus verschiedenen Gründen sinnvoll. Zum einen legt es der sicher zukünftig auch wieder weiter ansteigende Rohölpreis nahe, Alternativen zu erschließen. Insbesondere die biobasierten Werkstoffe oder Werkstoffanteile bieten hier eine Versorgungssicherheit durch die erneuerbare Rohstoffbasis. Außerdem findet im Zusammenhang mit der CO2-Problematik bzw. der CO2-neutralen Entsorgungsmöglichkeiten der Biopolymere durch Kompostierung, Verbrennung oder Umwandlung zu Biogas ein Umdenken insbesondere auch in USA statt. Zum anderen sorgen die veränderten gesetzlichen Rahmenbedingungen in Deutschland und einigen EU-Ländern für Kostenvorteile auch auf der Entsorgungsseite. Vor diesem Hintergrund wurden einige Biopolymerprodukte, insbesondere im Bereich der Lebensmittelverpackung (PLA-Getränkeflaschen, Obstverpackungen etc.) entwickelt und sind inzwischen bei verschiedensten Handelsketten in Deutschland und den EU-Nachbarländern (A: Spar, Billa, ADEG; F: Intermarché, Carrefour; I: Coop; NL: Albert Heijn ) zu finden.